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基于VR仿真焊接加工技術平臺組成與硬件連接設計研究

2020-09-24 08:52梁毅峰
宿州學院學報 2020年8期
關鍵詞:焊槍操作者加工

梁毅峰

淮北職業(yè)技術學院機電工程系,安徽淮北,235000

1 問題提出

焊接加工是機械加工制造業(yè)中的基本加工手段,能夠使被加工件接口原子間通過熱加工的方式充分結(jié)合,讓兩個分離的物體具有一定強度的連接成型,從大型巨輪機的加工到電路板上的微小電子元件加工,都離不開焊接加工技術。焊接加工在我國機械加工領域應用范圍非常廣泛,焊接加工每年消耗的鋼材量達到我國年鋼材總產(chǎn)量的40%左右,高于工業(yè)發(fā)達國家,但是焊接的效率和焊接的質(zhì)量還處于較為落后階段。面對國內(nèi)企業(yè)對高技能水平的焊接加工人員的需求不斷增加,只有通過進一步提升對焊接加工技術人員職業(yè)素質(zhì)、崗位能力、專業(yè)知識、操作技能等多角度的綜合培養(yǎng),才能解決技術人員缺口的問題,這就需要更高效、安全的焊接加工模擬設備[1]。傳統(tǒng)的焊接加工設備主要能提供電弧焊、二氧化碳焊、埋弧焊、氬弧焊、等離子焊、電阻焊等常規(guī)焊接加工技術訓練,主要是對常見的鋁件、低碳鋼、低合金鋼、奧氏體不銹鋼等金屬部件進行焊接。在加工過程中,焊條、焊絲、金屬件以及保護氣體等材料被大量消耗,并且技術人員能夠達到熟練掌握技術的訓練周期較長,操作過程也難以精確掌握,效果往往不理想。在焊接加工過程中,高溫、強光、飛濺出的火花、冒出的煙塵以及釋放的有毒氣體都會影響操作者身體健康,因此,操作過程中存在一些難以把控的安全隱患。

為改進傳統(tǒng)焊接加工模擬設備,提升其工作效率,研究設計基于VR技術的虛擬焊接仿真系統(tǒng)平臺,綜合運用傳感器技術、VR技術、人體工程學技術、評分系統(tǒng)項目軟件等先進技術,能夠使操作人員快速、真實地投入到焊接模擬加工中,消除強光、高溫、明火、煙塵和有毒氣體的危害,節(jié)省耗材和降低用電,提高工作效率。并且虛擬焊接仿真技術平臺便于在開展傳統(tǒng)項目的基礎上,拓展和增加新的內(nèi)容和先進技術。

2 仿真焊接加工技術平臺組成

VR仿真焊接加工技術平臺采用虛擬現(xiàn)實的方式實現(xiàn)模擬加工,技術平臺負責VR場景的開發(fā)、運算、生成。設計技術平臺主要由VR主機、頭盔、仿真焊槍、觸控面板、工作臺等部分組成。

2.1 VR主機和頭盔選配

VR技術就是“虛擬現(xiàn)實”技術,是在電腦和網(wǎng)絡空間上創(chuàng)建一個模擬真實的信息環(huán)境。該技術綜合利用了多維圖形處理、PC仿真、位置追蹤傳感器、觸覺力量方向反饋、人工智能等多種最新研究成果,其配套設備主要由VR頭盔、VR輸入設備、VR運行軟件、用于運算的計算機和觸控顯示屏這五部分組成,能夠很好地實現(xiàn)互動性、仿真感和操作評價性,有助于加深感受、啟發(fā)認知[2]。自2015年VR技術在全球興起以來,國外科技巨頭和國內(nèi)多家公司紛紛加大VR技術的相關技術及產(chǎn)品研發(fā),陸續(xù)推出了技術較為成熟的VR設備組裝部件,如 HTC Vive、AMD Sulon Q等系列產(chǎn)品,為仿真焊接加工技術平臺選配部件組裝提供了便利[3]。為滿足平臺設計需求,研究選用由AMOLED屏幕、耳機、追蹤傳感器、追蹤攝像頭、輸入輸出接口組成的VR頭盔,能夠提供視覺和聽覺上的輸入和輸出信息。VR主機PC可配置英特爾i5-4590或AMD FX 8350以上處理器、6GB或以上RAM、GTX 970或AMD 480圖形處理器以及Windows 8.1或更高版本的操作系統(tǒng)[4]。

2.2 仿真焊槍設計

焊槍是利用焊機的高電壓和高電流把產(chǎn)生的熱能集中到焊槍頭部,融化焊絲到需要焊接的部位,融入焊縫的金屬冷卻后把兩個分離的物體連接成一體。仿真焊槍采用常見的鵝頸式結(jié)構設計,送絲方式選用結(jié)構簡單、操作靈活的推絲式。設計氣體保護焊仿真焊槍時,模擬典型的Φ13~32 mm焊接直徑,焊槍頭部由加熱元件、噴嘴、導電嘴和分流器等組成[5]。仿真焊槍上設計保護氣體開關按鈕,噴嘴內(nèi)孔直徑設計為Φ16~22 mm,既能便于觀察熔池又能節(jié)約保護氣體;導電嘴又稱焊絲嘴,通常直徑比焊絲直徑要大0.2 mm,這樣設計既能防止焊絲頭部擺動造成焊接縫不直,又能避免推絲阻力過大;分流器采用環(huán)狀結(jié)構設計,上面均勻開若干小孔,保護性氣體從槍體噴出后以層流狀態(tài)覆蓋被保護部位以提高保護效果。氣體保護焊仿真焊槍模擬真實焊槍重量,配重后約1.8 kg左右。真實焊槍插電后,如操作者不小心觸碰槍頭會出現(xiàn)燙傷等事故,設計的仿真焊槍槍頭配備觸摸式蜂鳴報警器,一旦出現(xiàn)報警,模擬操作便判定為不合格,并能提醒操作者進一步提高安全意識。

設計手持式仿真焊槍作為VR輸入設備,進行手勢識別和動作捕捉。與傳統(tǒng)操作桿相比較,采用手持仿真焊槍操作具有更好的靈活性和識別性。對應焊條電弧焊、氣體保護焊、埋弧焊、氬弧焊和等離子焊等焊接加工設計多個仿照真實造型的不同結(jié)構仿真焊槍。每個焊槍上安裝一個技術較為成熟的HTC VIVE Tracker追蹤器。HTC VIVE Tracker追蹤器能夠讓一般物體變?yōu)槟軌虮籚alve開發(fā)的“Lighthouse”技術追蹤的VR物體,另外VIVE追蹤器還能夠加裝配件,可以建立起和VIVE VR系統(tǒng)之間的無線、無延遲連接,實現(xiàn)對焊槍在虛擬場景中的定位,實時采集仿真焊槍移動距離、速度、方向和角度等動作信息,反饋到系統(tǒng)平臺。

2.3 VR主機觸控面板設計

設計VR主機觸控面板能夠?qū)δM項目、加工參數(shù)、評分系統(tǒng)等進行選擇操作,并能實現(xiàn)利用評分軟件對操作情況打分,VR主機觸控面板部分功能設計如圖1所示。設計采用Easy Manager軟件制作觸摸屏程序,在模擬訓練項目中設計操作視頻學習、分類訓練、模擬考試3個模塊,在焊槍選擇上提供焊條電弧焊、氣體保護焊、埋弧焊、氬弧焊和等離子焊等5種常見焊槍選擇按鈕,在焊接參數(shù)選擇上設計電壓、電流、氣體流量、焊絲直徑、板材厚度等選擇增減數(shù)值按鈕,在焊接板材類型上提供板與板、管與管、T接等選項按鈕,金屬材質(zhì)選擇能夠提供鋁、銅、碳鋼、合金鋼,碳鋼不銹鋼等多個不同類型觸控選項,提供具有平焊、仰焊、立焊、橫焊等焊接空間位置的選項[5]。通過系統(tǒng)錄入的標準操作參數(shù)與操作過程中系統(tǒng)采集到的實時參數(shù)進行對比,計算操作過程中的偏差并實時顯示記錄,可發(fā)出聲音報警和不同顏色的指示燈閃爍提醒學員及時調(diào)整相關操作。系統(tǒng)觸控制面板設計總體評分選項,通過與使用者總體操作參數(shù)與錄入標準參數(shù)比較,對操作過程評價總體分值。

圖1 VR主機觸控面板部分功能設計

采用CAPP(計算機輔助工藝設計系統(tǒng))設計主機觸控面板接口、輸入輸出及支撐軟件。系統(tǒng)的信息交換和相互作用是操作者通過控制接口和輸入輸出來實現(xiàn),接口的設計由輸入輸出和運行控制兩個部分組成,采用商品化CAPP系統(tǒng)軟件常用的結(jié)構樹和菜單的形式以實現(xiàn)較好的系統(tǒng)運行控制[6]。選擇硬件時,在滿足系統(tǒng)運行要求的前提下,主要考慮系統(tǒng)運行的方便性和經(jīng)濟性。硬件選擇包括計算機內(nèi)存及外存容量、顯示器規(guī)格型號及顯示器分辨率等因素。設計運行軟件,首先要根據(jù)軟件需要完成的模擬任務及操作者的具體情況確定系統(tǒng)結(jié)構,以及確定運行軟件需要的相關設備,如計算機和顯示器類型、內(nèi)外存儲器規(guī)格、編程語言及系統(tǒng)支撐軟件等。在系統(tǒng)面板控制軟件開發(fā)方面,采用并聯(lián)設計的形式同時開發(fā)幾個模塊,然后聯(lián)接起來,可采用THcapp系統(tǒng)用總體設計的接口聯(lián)接各個模塊的獨立設計軟件,并且方便后續(xù)系統(tǒng)的升級和擴展。軟件模塊里增加產(chǎn)生式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),與一般的知識庫不同,系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫有描述問題求解領域的知識規(guī)則構成[7]。通過收集源知識、對源知識進行精煉和對源知識進行有效學習來進行知識獲取環(huán)節(jié),在對有效技能進行收集的同時能夠自動去除多余信息和錯誤內(nèi)容。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫通過推理機對提出的問題利用知識庫的內(nèi)容完成最佳的求解,為使操作者得到能夠接受的解釋,在推理過程中對所應用的知識庫進行解釋說明。

3 仿真焊接加工技術平臺硬件連接設計

仿真焊接加工技術平臺設備要根據(jù)焊接加工培訓實際情況,配備不同的輸入和演示設備,并且系統(tǒng)要能夠快速提供反饋信息,提供友好的人機互動界面。由VR支撐軟件和硬件系統(tǒng)兩大部分組成仿真焊接加工技術平臺。選擇技術相對成熟的OpenGL視景仿真軟件和Directx多媒體編程接口軟件作為VR支撐軟件,負責VR場景的運算、生成、反饋,對虛擬空間進行添加,用代碼編程的方式實現(xiàn)復雜的響應動畫。虛擬現(xiàn)實軟件場景設計投影在操作工作臺上,戴上頭盔式顯示器,手持仿真焊槍等輸入設備,在工作臺上就可以看到和真實的焊接加工一樣的三維立體圖像。隨著科技發(fā)展,VR應用技術進入了快速發(fā)展時期,各相關知名科技公司不斷推出豐富的VR設備支撐軟件和高效新型傳感檢測處理軟件,為VR支撐軟件的開發(fā)制作提供了更有利的條件[8]。

設計仿真焊接加工技術平臺VR硬件系統(tǒng),要能夠滿足結(jié)構緊湊、操作便捷、容易實現(xiàn)沉浸式感官體驗的要求。硬件系統(tǒng)要進行仿真焊接加工技術平臺主機、觸控顯示屏幕、VR設備支持臺、操作工作臺、仿真焊槍、頭盔等主要部分的連接,使用MastercamXq軟件設計VR技術焊接加工技術平臺硬件連接如圖2。系統(tǒng)設備支持工作臺設計為多自由度機械轉(zhuǎn)臺,便于模擬多種位置焊接練習。經(jīng)實驗,該平臺能向操作人員提供較好的視覺和聽覺模擬體驗,相關分布式虛擬現(xiàn)實場景和VR支持軟件正在開發(fā)拓展中。

圖2 VR技術焊接加工技術平臺硬件連接設計

4 結(jié) 語

本文深入研究了仿真焊接加工平臺技術,闡述了基于VR仿真的焊接加工平臺系統(tǒng)的硬件選配和軟件組成,并設計了仿真焊接加工平臺的主控面板功能和硬件連接方案。通過應用VR技術的焊接加工技術平臺,可以實現(xiàn)焊接加工模擬過程的安全環(huán)保、一機多槍、一機多練、3D立體視覺焊接模擬及多場景練習,可大幅降低培訓成本,達到提高操作安全性和實現(xiàn)自動化的改進目標,讓操作者與場景內(nèi)的虛擬環(huán)境、元素進行具有強烈真實感的互動操作,讓使用者沉浸到布置的焊接任務中;同時,還可以精確地測量各種操作信息。平臺具有內(nèi)存存儲并可以播放全套焊接教學視頻資料,幫助使用者學習相關基礎知識、安全規(guī)程、技術要點等焊接技能。通過VR技術在焊接加工中的應用,能夠使操作者較為高效地掌握焊接加工技能,并能更好地轉(zhuǎn)化到實際的焊接工作中,該仿真焊接加工技術平臺具有較好的市場應用前景。

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